2.7 继电器

继电器是一种自动操纵远离设备的电器，广泛应用于自动控制系统、遥控、遥测系统、电力保护系统以及通信系统中，起着控制、检测、保护和调节的作用，是现代电器装置中最基本的器件之一。一般来说，继电器通过测量环节输入外部信号（如电压、电流等电量；或温度、压力、速度等非电量）并传递给中间机构，将它与设定值（整定值）进行比较，当达到整定值时（过量或欠量），中间机构就使执行机构产生输出动作，从而闭合或分断电路，达到控制电路的目的。

虽然继电器和接触器都是用来自动接通或断开电路，但是它们仍有许多不同之处。继电器可以对各种电量或非电量的变化做出反应，而接触器只有在一定的电压信号下动作；继电器可以用来切换小电流的控制电路，而接触器则用来控制大电流电路，因此，继电器的触点容量较小，并且无灭弧装置。

继电器用途广泛、种类繁多。按照用途可以分为控制继电器和保护继电器；按动作原理可以分为电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、电子式继电器和热继电器；按输入信号的不同可以分为电压继电器、中间继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器等，其中电压继电器、电流继电器、中间继电器均为电磁式。

2.7.1 电磁式继电器

1.电磁式继电器的结构与工作原理

电磁式继电器又称有触点继电器。它的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是由电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成的，其结构如图2-33所示。由于继电器用于控制电路，所以电流比较小，不需要灭弧装置。它体积小，动作比较灵敏。

1）电磁机构

直流继电器的电磁机构为U形拍合式，铁芯和衔铁均由电工软铁制成。为了改变衔铁闭合后的气隙，在衔铁的内侧装有非磁性垫片，铁芯铸在铝基座上。

交流继电器的电磁机构有U形拍合式、E形直动式、螺管式等多种形式。铁芯与衔铁均由硅钢片叠制而成，并且在铁芯柱端面上嵌有短路环。

2）触点系统

继电器的触点为桥式结构，没有灭弧装置，有常开和常闭两种触点形式。

3）调节装置

为改变继电器的动作参数，应具有改变继电器释放弹簧松紧程度的调节装置，以及改变衔铁打开后磁路气隙大小的调节装置。

电磁式继电器的图形符号、文字符号如图2-34所示。

2.电流继电器

电流继电器是用来反映电流信号的元件。将电流继电器串联在控制电路中，线圈与负载相串联，用于检测电路中的电流的变化，通过与电流设定值的比较自动判断工作电流是否越限。这种继电器的线圈匝数少、线径粗、线圈上压降很小，不会影响负载电路中的电流。电流继电器又分为欠电流和过电流两种形式。

欠电流继电器的吸引电流为额定电流的30%～65%，释放电流为额定电流的10%～20%。因此，在电路正常工作时，其衔铁是吸合的。只有当电流降低到某一程度时，继电器释放，输出信号。

过电流继电器在电路正常工作时不动作，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为1.1～4倍额定电流。

在机床电气控制系统中，用得较多的电流继电器有JL14、JL15、JT3、JT4、JT9和JT10等型号。选用电流继电器时首先要注意线圈电压的等级和种类应与负载电路一致。另外，根据对负载的保护作用（是低电流还是过电流）来选用电流继电器的类型。最后，要根据控制电路的要求选触点的数量和类型（是常开还是常闭）。

3.电压继电器

电压继电器是用来反映电压信号的元件。将电压继电器并联在控制电路中，线圈与负载并联，用于检测电路中的电压变化，通过与电压设定值相比较自动判断电压是否越限。从结构上电压继电器与电流继电器相似，不同的是电压继电器的线圈匝数多、线径细、阻抗大，以减少对负载电路的影响。电压继电器也分为欠（零）电压继电器和过电压继电器。

欠电压继电器在电压为额定值的40%～70%时动作，零电压继电器是当电压降到额定值的5%～25%时才动作，切断电路实现欠（零）压保护。

过电压继电器在电压为额定值的1.05～1.2倍时动作，实现电路的过压保护。

机床电气控制系统中，常用的电压继电器有JT3、JT4型。电压继电器的选用与电流继电器的方法类似，要注意线圈的电压种类和等级、保护作用、触点类型和数量。

4.中间继电器

中间继电器实质上是电压继电器，但它的触点对数相对较多，触点容量较大，动作灵活。一般来讲，中间继电器的触点容量与接触器的辅助触点差不多，其额定电流多数为5A，对于电动机额定电流不超过5A的电气控制系统，也可以代替接触器来使用。

中间继电器的主要作用：当其他继电器的触点对数或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数和触点容量，起到中间转换的作用。

常用的中间继电器的型号有JZ14、JZ15、JZ和JZ7。

2.7.2 时间继电器

时间继电器是指一种接收信号后，经过一定的延时才输出信号，实现触点延时接通或断开的控制电器。

时间继电器的延时方式有两种。通电延时：接收输入信号后延迟一定的时间，输出信号才发生变化；当输入信号消失后，输出瞬时复原。断电延时：接收输入信号时，瞬时产生相应的输出信号；当输入信号消失后，延迟一定的时间，输出才复原。

时间继电器的种类很多，常用的有电磁式、空气阻尼式、电动式、晶体管式等。重点介绍常用的电磁式时间继电器、空气阻尼式时间继电器和晶体管式时间继电器。

1.直流电磁式时间继电器

直流电磁式时间继电器是在铁芯上增加一个阻尼铜套，带有阻尼铜套的铁芯结构如图2-35所示。

由电磁感应定律可知，在继电器通电、断电过程中铜套内将感生涡流，阻碍穿过铜套内的磁通变化，因而对原磁通起了阻尼作用。当继电器通电吸合时，由于衔铁处于释放位置，气隙大，磁阻大，磁通小，铜套阻尼作用也小，因此，铁芯吸合时的延时不显著，一般可忽略不计。当继电器断电时，磁通量的变化大，铜套的阻尼作用也大。因此，这种继电器仅用做断电延时，其延时动作触点有延时打开常开触点和延时闭合常闭触点两种。

直流电磁式时间继电器的延时时间较短，JT 系列最长不超过5s，而且准确度较低，一般只用于延时精度要求不高的场合。

直流电磁式时间继电器延时时间的长短可通过改变铁芯与衔铁间非磁性垫片的厚薄（粗调）或改变释放弹簧的松紧（细调）来调节。垫片厚则延时短，垫片薄则延时长。释放弹簧紧则延时短，释放弹簧松则延时长。

直流电磁式时间继电器JT3系列的技术数据如表2-11所示。

2.空气阻尼式时间继电器

空气阻尼式时间继电器是通过空气阻尼作用实现延时的。它由电磁机构、延时机构和触点组成。

空气阻尼式时间继电器的电磁机构有交流、直流两种。

延时方式有通电延时型和断电延时型（改变电磁机构位置，将电磁铁翻转180°安装）。当动铁芯（衔铁）位于静铁芯和延时机构之间位置时为通电延时型；当静铁芯位于动铁芯和延时机构之间位置时为断电延时型。

以JS7-A系列时间继电器中的通电延时型为例，介绍空气阻尼时间继电器的工作原理，如图2-36所示。

由图2-36所示可知：当线圈 1得电后衔铁（动铁芯）3吸合，活塞杆6在塔形弹簧8作用下带动活塞12及橡皮膜10向上移动，橡皮膜下方空气室空气变得稀薄，形成负压，活塞杆只能缓慢移动，其移动速度由进气孔气隙大小来决定。经一段延时后，活塞杆通过杠杆7压动微动开关15，使其触点动作，起到通电延时作用。当线圈断电时，衔铁释放，橡皮膜下方空气室内的空气通过活塞肩部所形成的单向阀迅速地排出，使活塞杆、杠杆、微动开关等迅速复位。由线圈得电到触点动作的一段时间即为时间继电器的延时时间，其大小可以通过调节螺钉13调节进气孔气隙大小来改变。断电延时型的结构、工作原理与通电延时型相似，只是电磁铁安装方向不同，即当衔铁吸合时推动活塞复位，排出空气。当衔铁释放时活塞杆在弹簧作用下使活塞向下移动，实现断电延时。在线圈通电和断电时，微动开关16在推板5的作用下都能瞬时动作，其触点即为时间继电器的瞬动触点。

JS7系列空气阻尼式时间继电器技术数据如表2-12所示。

空气阻尼式时间继电器的优点是结构简单、寿命长、价格低廉，还附有不延时的触点，所以应用较为广泛。缺点就是准确度低、延时误差大（10%～20%），因此，在要求延时精确度高的场合不宜采用。

3.晶体管式时间继电器

晶体管式时间继电器具有延时范围广、体积小、精度高、调节方便及寿命长等优点，因此，得到广泛的应用。

晶体管时间继电器有很多种类型，下面以JS20系列中的单结晶体管通电延时电路为例进行介绍。单结晶体管通电延时电路如图2-37所示。全部电路由延时环节、鉴幅器、输出电路、电源和指示灯等五部分组成，如图2-38所示。电源的稳压部分由R ₁ 和稳压管VD ₃ 构成，供给延时和鉴幅，输出电路中的晶闸管VT和继电器K则由整流电源电路直接供电。电容C ₂ 的充电回路有两条，一条是通过电阻R _W1 +R ₂ ，另一条是通过由低阻值电阻R _W2 、R ₄ 、R ₅ 组成的分压器经二极管VD ₂ 向电容C ₂ 提供的预充电路。

电路的工作原理：当接通电源后，经二极管VD ₁ 整流、电容C ₁ 滤波，以及稳压管VD ₃ 稳压的直流电压通过R _W2 、R ₄ 、VD ₂ 向电容C ₂ 以极低的时间常数快速充电。与此同时，也通过R _W1 和R ₂ 向电容充电。电容C ₂ 上电压在相当于U _R5 预充电压的基础上按指数规律逐渐升高。当此电压大于单结晶体管的峰点电压U _P 时，单结晶体管导通，输出电压脉冲触发晶闸管VT。VT导通后使继电器K吸合，除用其触点来接通或分断外电路外，还利用其另一常开触点将C ₂ 短路，使之迅速放电，为下次使用做准备，此时氖指示灯N启辉。当切断电源时，K释放，电路恢复原始状态，等待下次动作。

常用的晶体管时间继电器有JSJ系列、JSB系列、JS14A系列，还有带数字显示的时间继电器JS14P、JS14S、JSS1系列。国外有ST系列产品，是由集成电路构成的。JS20系列的技术数据如表2-13所示。

电路中表示时间继电器的图形符号如图2-39所示，文字符号为KF。

2.7.3 热继电器

1.热继电器的作用

在电力拖动控制系统中，当三相交流电动机出现长期带负荷欠电压下运行，长期过载运行及长期单相运行等不正常情况时，会导致电动机绕组严重过热乃致烧坏，为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转，而当电动机一旦出现长时间过载时又能自动切断电路，从而出现了能随过载程度而改变动作时间的电器，这就是热继电器。

显而易见，热继电器在电路中是做三相交流电动机的过载保护用的。但需注意，由于热继电器中发热元件有热惯性，在电路中不能做瞬时过载保护，更不能做短路保护，因此，它不同于过电流继电器和熔断器。

按相数来分，热继电器有单相、两相和三相共三种类型，每种类型按发热元件的额定电流分又有不同的规格和型号。三相热继电器常用做三相交流电动机的过载保护电器。按职能来分，三相热继电器又有不带断相保护和带断相保护两种类型。

2.热继电器的工作原理

热继电器中产生热效应的发热元件，应串接于电动机电路中，这样，热继电器便能直接反映电动机的过载电流。热继电器的感测元件，一般采用双金属片。双金属片，就是将两种线膨胀系数不同的金属片以机械辗压的方法使之形成一体。膨胀系数较大的称为主动层，膨胀系数较小的称为被动层。双金属片受热后产生线膨胀，由于两层金属的线膨胀系数不同，且两层金属又紧密地结合在一起，因此，使得双金属片向被动层一侧弯曲，由双金属片弯曲产生的机械力便带动触点动作，这就是热继电器的基本工作原理。如图2-40所示。

双金属片的受热方式有4种，如图2-41所示，即直接受热式、间接受热式、复合受热式和电流互感器受热式。直接受热式是将双金属片当做发热元件，让电流直接通过它。间接受热式的发热元件由电阻丝或带制成，绕在双金属片上且与双金属片绝缘。复合受热式介于上述两种方式之间。电流互感器受热式的发热元件不直接串接于电动机电路，而是接在电流互感器的二次侧，这种方式多用于电动机电流比较大的场合，以减少通过发热元件的电流。

3.三相式热继电器结构原理

三相式热继电器的结构原理如图2-42所示。发热元件3串接在电动机定子绕组中，电动机绕组电流即为流过热元件的电流。当电动机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片2弯曲，但还不足以使继电器动作；当电动机过载时，热元件产生的热量增大，使双金属片弯曲位移增大，经过一定时间后，双金属片弯曲到推动导板4，并通过补偿双金属片5与推杆14，将触点9和6分开，触点9和6为热继电器串于接触器线圈回路的常闭触点，断开后使接触器失电，接触器的常开触点断开电动机的电源以保护电动机。调节旋钮11是一个偏心轮，它与支撑架12构成一个杠杆，13是一个压簧，转动偏心轮，改变它的半径即可改变补偿双金属片5与导板4的接触距离，因而达到调节整定动作电流的目的。此外，靠调节复位螺钉8来改变常开触点7的位置使热继电器能工作在手动复位和自动复位两种工作状态。调试手动复位时，在故障排除后要按下复位按钮10才能使动触点9恢复与静触点6相接触的位置。

4.热继电器的主要技术数据

在电气原理图中，热继电器的发热元件和触点的图形、文字符号如图2-43所示。

热继电器在保护形式上分为二相保护和三相保护两类。二相保护式的热继电器内装有两个发热元件，分别串入三相电路中的两相，常用于三相电压和三相负载平衡的电路中，三相保护式热继电器内装有三个发热元件，分别串入三相电路中的每一相，其中任意一相过载，都会使热继电器动作，常用于三相电源严重不平衡或三相负载严重不平衡的场合。

三相交流电动机的过载保护均采用三相式热继电器，尤其是JR16和JR20系列三相式热继电器在实际中得到广泛应用。这两种系列的热继电器按其职能分为带断相保护和不带断相保护两种类型。根据电动机绕组的接法，这两种类型的热继电器接入电动机定子电路的方式也不尽相同。在表2-14中给出了JR16系列热继电器的主要技术数据。

5.热继电器的选用

热继电器选用是否得当，直接影响对电动机进行过载保护的可靠性。通常选用时应按电动机形式、工作环境、启动情况及负荷情况等几方面综合加以考虑。

原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件）的额定电流可适当小些。通常，选取热继电器的额定电流（实际上是选取发热元件的额定电流）为电动机额定电流的60%～80%。

在不频繁启动场合，要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误动作。通常，当电动机启动电流为其额定电流6倍以下及启动时间不超过6s时，若很少连续启动，就可按电动机的额定电流选取热继电器。

当电动机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。因为热继电器的操作频率是很有限的，如果用它保护操作频率较高的电动机，效果很不理想，有时甚至不能使用。

2.7.4 速度继电器

速度继电器主要用于笼型异步电动机的反接制动控制，又称反接制动继电器。它主要是依靠电磁感应原理实现触点动作的，因此，它的电磁系统与一般电磁式继电器的电磁系统是不同的，而与交流电动机的电磁系统相似，即由定子和转子组成其电磁系统。感应式速度继电器在结构上主要由定子、转子和触点三部分组成，如图2-44所示。

转子由永久磁铁制成，定子的结构与笼型电动机的定子相似，由硅钢片叠制而成，并装有笼型绕组。继电器轴10与电动机轴相连接，当电动机转动时，继电器的转子11随着一起转动，这样，永久磁铁的静止磁场就成了旋转磁场。当定子9内的笼型导体8因切割磁场而产生电势和电流时，导体与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，于是定子跟着转子相应偏转。转子转速越高，定子导体内产生的电流越大，电磁转矩也就越大。当定子偏转到一定角度时，在杠杆7的作用下使常闭触点打开而常开触点闭合。在杠杆7推动触点的同时，也压缩相应的反力弹簧，其反作用力阻止了定子继续偏转。当电动机转速下降时，继电器的转子转速也随之下降，定子导体内产生的电流也相应地减少，因而使电磁转矩也相应减小。当继电器转子的转速下降到一定数值时，电磁转矩小于反力弹簧的反作用力矩，定子便返回到原来位置，使对应的触点恢复到原来状态。调节螺钉1的松紧，可以调节反力弹簧的反作用力，从而可以调节触点动作所需的转子转速。

常用的感应式速度继电器有JY1和JF20系列。JY1系列能在3 000r/min以下可靠地工作；JFZ0-1型适用于300～1 000r/min，JFZ0-2型适用于l 000～3 600r/min；JFZ0系列有两对常开、常闭触点。一般感应式速度继电器转轴在120r/min左右时触点即能正常工作。速度继电器的图形、文字符号如图2-45所示。